Hình 3.19. Độ ổn định của cảm biến trong môi trường khí hyđrô
3.3.6. Ảnh hưởng của độ ẩm
Độ ẩm là một trong những nguyên nhân chính gây ra các sai số của cảm biến. Khi độ ẩm môi trường cao, hơi nước bị hấp phụ trên bề mặt vật liệu làm giảm độ chính xác, thông thường trước khi hoạt động cảm biến cần được đốt nóng để loại bỏ các phân tử nước. Một trong những ưu điểm của việc sử dụng sơ đồ đo với mạch cầu wheatstone là giúp loại trừ các ảnh hưởng từ các thay đổi của độ ẩm và nhiệt độ môi trường. Trên hình 3.20 cho thấy, độ nhạy của cảm biến thay đổi trong 3 độ ẩm tương đối khác nhau là: 40 %RH, 65 %RH và 95%RH. Kết quả cho thấy độ ẩm ảnh hưởng không đáng kể lên độ nhạy của cảm biến.
5 15 25 35 45 5 10 15 20 25 30 Nồng độ Hydro (% LEL) T ín h iệ u (mV ) không khí 40 %RH 65%RH 90%RH
Hình 3.20. Sự phụ thuộc độ ẩm của cảm biến
Kết luận:
Như vậy với phương pháp hóa ướt, vật liệu ZnO pha tạp Pd (0-3% khối lượng) thu được có kích thước hạt cỡ nano mét (13,3-16,5 nm), diện tích bề mặt riêng lớn
(34,32 m2/g) rất thích hợp cho ứng dụng chế tạo cảm biến nhạy khí.
Các kết quả từ việc khảo sát các đặc trưng nhạy khí trên hệ vật liệu ZnO và ZnO pha tạp Pd cho thấy cảm biến ứng với nồng độ pha tạp 0,5 % Pd vào vật liệu
ZnO cho độ nhạy và độ chọn lọc tối ưu với khí H2. Kết quả cũng xác định được nhiệt
độ hoạt động tốt nhất của cảm biến. Việc chế tạo cảm biến xúc tác dạng màng và sử dụng sơ đồ đo với mạch cầu wheatstone cho thấy sự phù hợp để chế tạo thiết bị đo và giám sát liên tục dải nồng độ 0-100 %LEL khí H2 có độ nhạy và độ chọn lọc cao, đồng thời cũng loại bỏ được ảnh hưởng của biến thiên độ ẩm và nhiệt độ môi trường.
Chương 4. Thiết bị đo khí hyđrô và phát triển ứng dụng
Sau khi nghiên cứu các đặc trưng nhạy khí của cảm biến, chúng tôi đã lựa chọn cảm biến với màng nhạy khí ZnO-(0,5)Pd có độ nhạy cao nhất và hoạt động tối ưu ở điện áp đốt 1,7 V để sử dụng trong thiết bị đo khí hyđrô. Đây là loại thiết bị có hai tính năng: liên tục đo đạc và cảnh báo nồng độ khí quá ngưỡng nguy hiểm. Thiết bị có thể hoạt động độc lập và cũng có khả năng liên kết trong mạng Hệ thống kiểm soát nồng độ khí đa kênh (dạng SCADA). Do nhu cầu ứng dụng trong thực tế, thiết bị đo khí hyđrô đã được chỉnh chuẩn, hoàn thiện phần vỏ và nhãn mác, sau đó đã được kiểm định tại Viện Đo lường Chất lượng Việt nam. Hiện nay 01 thiết bị đo khí hyđrô đã được lắp đặt và sử dụng tại Trung tâm kiểm tra khí thải xe cơ giới, thuộc Cục Đăng kiểm –Bộ Giao thông Vận tải quản lý.
4.1. Tiêu chuẩn thiết kế thiết bị
Với mục đích đo, kiểm soát và cảnh báo sớm nồng độ khí hyđrô dưới ngưỡng cháy nổ mức thấp từ 0 đến 100 %LEL. Thiết bị chế tạo ngoài việc đáp ứng được các điều kiện kiểm định chung như độ chính xác, sai số, độ trôi điểm không…còn phải được thiết kế phù hợp với mục đích sử dụng và đảm bảo an toàn cháy nổ, nguồn nuôi, vị trí lắp đặt thiết bị. Do đó thiết bị đo đạc và cảnh báo khí hyđrô của chúng tôi được thiết kế và chế tạo thử nghiệm dựa trên các quy chuẩn kiểm định của cục đo lường Việt Nam (ĐLVN 202:2008), và một số các tiêu chuẩn an toàn cháy nổ khác.
- Thiết bị phải có độ tin cậy cao.
- Sai số và độ trôi điểm không trong giới hạn cho phép.
- Thiết bị không gây phát ra tia lửa điện, cảm biến phải được đóng vỏ bằng đồng xốp chống cháy nổ.
- Vì là thiết bị cảnh báo hoạt động liên tục nên nguồn cung cấp được chuyển đổi trực tiếp từ nguồn 220 VAC sang 5 VDC.
- Vị trí lắp đặt cảm biến trên thiết bị được thiết kế phù hợp để dễ dàng thu nhận khí hyđrô.
- Mức báo ngưỡng theo tiêu chuẩn quốc tế quy định là 10 %LEL (tương đương 4000 ppm khí H2).
Hình 4.1 trình bày quy trình chế tạo thiết bị đo khí H2, từ thiết kế, chế tạo, kiểm định đến ứng dụng thiết bị trong thực tế.
Kiểm định thiết bị
Thiết bị đo và cảnh báo nồng độ khí Hydro Kiểm tra điểm “0” Kiểm tra độ trôi Kiểm tra sai số Kiểm tra độ lặp lại Chỉnh chuẩn thiết bị Ứng dụng thiết bị Nguồn nuôi Vỏ máy Cảm biến khí Lập trình Mạch điện tử Các tiêu chuẩn
1. Tiêu chuẩn an toàn cháy nổ 2. Quy trình kiểm định thiết bị đo khí
3. Yêu cầu, mục đích sử dụng
4.2. Chuẩn thiết bị đo khí
Chuẩn thiết bị là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị điện áp đo được ở đầu ra và giá trị phần trăm nồng độ khí hyđrô. Trên cơ sở đó xây dựng đường chuẩn dưới dạng biểu thức đại số.
Để đảm bảo độ tin cậy, giá trị đầu ra không bị ảnh hưởng bởi giá trị đo lần trước, đường chuẩn được thiết lập là trung bình của ba lần đo, sau mỗi lần đo thì thổi khí vào làm sạch buồng đo. Lần thứ nhất tăng dần nồng độ khí hyđrô từ 0 đến 25 %LEL, ở lần đo thứ hai giảm dần nồng độ khí hyđrô từ 25% LEL về 0, lần thứ ba lại tăng dần nồng độ khí hyđrô. Từ các giá trị thực nghiệm, bằng cách lấy trung bình ta tìm ra được biểu thức đại số biểu diễn sự phụ thuộc giá trị đầu ra của cảm biến vào nồng độ khí H2. Đây chính là phương trình đường chuẩn của thiết bị, được trình bày trên hình 4.2.
Hình 4.2. Đường chuẩn của thiết bị
Đường chuẩn của thiết bị đo khí hyđrô trên hình cho thấy, điện áp đo được phụ thuộc tuyến tính với nồng độ khí hyđrô, và được biểu diễn qua phương trình:
y = 1,48 x
Với y là điện áp đo được tính bằng mV, x là nồng độ %LEL khí hyđrô.
4.3. Kiểm tra đo lường
Thiết bị được kiểm tra theo quy trình kiểm định của cục đăng kiểm
4.3.1. Kiểm tra bên ngoài
Kiểm tra bên ngoài của thiết bị là một trong những yêu cầu với các thiết bị đo khí, đặc biệt là với các thiết bị đo khí dễ gây cháy nổ. Vì thiết bị được đặt trong những môi trường có nguy cơ cháy nổ cao, và những môi trường có nhiều chất oxy hóa khử,
do đó thiết kế phải đảm bảo độ bền, chắc của vỏ máy tránh bị ảnh hưởng bởi những tác động bên ngoài; vỏ cũng phải được đóng kín để tránh khí dư đọng lại. Hơn nữa, tùy theo tính chất từng loại khí cần đo mà cách bố chí cảm biến cũng đòi hỏi những yêu cầu riêng. Đối với thiết bị đo khí hyđrô, cảm biến khí phải được bố trí phía trên của thiết bị để dễ dàng thu nhận khí H2.
Cuối cùng, thiết bị phải được dán tem, nhãn phù hợp, đúng theo quy định.
4.3.2. Kiểm tra điểm “0”
Sau khi thiết lập được đường chuẩn, đặt lại điểm 0 của thiết bị . Thiết bị đo được kiểm tra điểm ―0‖ bằng cách đo ba lần liên tiếp trong không khí. Kết quả ghi trên bảng
STT Thành
phần
Lần đo Trung
bình Sai số Sai số cho phép
Kết luận
1 2 3
1 Không khí 00 00 00 0 0 ± 0,1 % Đạt
4.3.3. Kiểm tra sai số
Các cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi ∆x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của cảm biến được tính bằng:
STT Khí chuẩn và nồng độ (%LEL) Lần đo Trung bình Sai số (%) Sai số cho phép (%) Kết luận 1 2 3 1 H2 25 25 27 24 25,33 1,32 ± 5 Đạt
Kết quả kiểm tra sai số của thiết bị cho thấy mức sai số 1,32 % là chấp nhận được so với sai số cho phép.
4.3.4. Kiểm tra độ lặp lại
Để kiểm tra độ lặp lại, chọn giá trị hàm lượng khí chuẩn hyđrô 25 %LEL, tiến hành đo 5 lần, mỗi lần đo cách nhau 24 h.
Độ lệch chuẩn được tính theo công thức:
Trong đó :
Độ lệch chuẩn ζ không được lớn hơn 1/3 mô đun sai số cho phép của thiết bị đo cần kiểm định, ở đây độ lệch chuẩn không được lớn hơn 5.
Khí chuẩn Nồng độ (%LEL) Lần đo Trung bình Độ lệch chuẩn Độ lệch chuẩn cho phép Kết luận 1 2 3 4 5 H2 25 25 24 25 24 26 24,8 0,75 < 5 Đạt
Kết quả kiểm tra độ lệch chuẩn cho thấy giá trị độ lệch chuẩn xác định là 0,75 nhỏ hơn giá trị cho phép, và giá trị các lần đo khá hội tụ.
4.3.5. Kiểm tra độ trôi
Thiết bị kiểm tra được đo ba lần tại nồng độ khí hyđrô 10 %LEL, mỗi lần cách nhau 24 h, kết quả được được ghi trong bảng dưới đây, cho thấy sai lệch giữa các kết quả đo so với phép đo đầu tiên nhỏ hơn sai số cho phép của phép đo.
STT
Khí chuẩn và hàm lượng
(%LEL)
Lần đo Sai số giữa các lần đo
Sai số cho phép (%) Kết luận 1 2 3 (2)-(1) (3)-(1) 1 H2 10 10 10 10 0 0 ±5 Đạt
4.3.6. Hoàn thiện thiết bị
Sau khi đã chỉnh chuẩn, thiết bị được đóng vỏ, dán nhãn mác, tem bảo hành. Sau khi được Viện Đo lường Chất lượng Việt nam kiểm định và cấp chứng chỉ chất lượng, thiết bị được cung cấp cho ―Trung tâm kiểm thử nghiệm khí thải phương tiện giao thông cơ giới đường bộ‖ thuộc Cục Đăng kiểm Việt Nam sử dụng. Hình 4.3 và hình 4.4 là ảnh thiết bị hoàn thiện và giấy chứng nhận chất lượng thiết bị đo khí do Viện Đo lường Chất lượng Việt nam cấp. Dưới đây là các thông số chính của thiết bị:
Loại khí: Hyđrô
Khoảng đo: 0 - 100% LEL
Độ phân giải: 1% LEL
Sai số: ±5% toàn thang
Ngưỡng báo động I: > 10 % LEL
Ngưỡng báo động II: > 50 % LEL
Thời gian hồi đáp: 20 giây
Hiển thị: LED
Nguồn: 5 VDC/220VAC
Kích thước: 150x180x35
Trọng lượng: 300 gam
Hình 4.4. Giấy chứng nhận chất lượng thiết bị đo khí hyđrô do Trung tâm đo lường Việt Nam cấp Việt Nam cấp
4.4. Ứng dụng thiết bị
Thiết bị hoàn thiện, sau khi được kiểm định, được ứng dụng lắp đặt tại Trung tâm thử nghiệm khí thải phương tiện giao thông cơ giới đường bộ, xã Liên Ninh, Thanh Trì, Hà Nội từ tháng 6/2010.
Hình 4.5. Cơ sở ứng dụng thiết bị đo và cảnh báo nồng độ khí hyđrô
4.5. Triển vọng phát triển thiết bị
Có thể nói hyđrô sẽ trở thành nguồn năng lượng chủ đạo trong tương lai không xa, bởi những ưu việt mà nó đem lại như thân thiện với môi trường, trữ lượng hyđrô dường như vô tận, vừa có thể sử dụng trực tiếp là nhiên liệu vừa có thể là vật chất mang (dự trữ) năng lượng, và đặc biệt sẽ là nguồn năng lượng quan trọng giúp thế giới giảm phụ thuộc vào các nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Như các nghiên cứu chỉ ra rằng, pin nhiên liệu sử dụng hyđrô có một ưu thế không thể nghi ngờ hơn tất cả các thiết bị biến đổi năng lượng khác. Những đặc điểm ưu việt của nó như hiệu suất cao, ổn định lớn, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường...
Honda đã sản xuất một mẫu ô tô hyđrô có tên gọi FCX Clarity cho thuê tại Mỹ với giá 600 USD/tháng. Honda cho biết, họ có ý định sản xuất thêm khoảng 200 xe trong năm nay. Giá thị trường của FCX Clarity lên tới 1 triệu USD/chiếc. Trong khi đó, Toyota, nhà tiên phong trong công nghệ ô tô điện, có kế hoạch đưa mẫu ô tô hydro vào hoạt động đại trà lần đầu tiên vào năm 2015.
Trong số các hãng chế tạo ô tô Mỹ, General Motors (GM) đã sản xuất một 100 xe hydro thử nghiệm có tên gọi Chevrolet Equinox.
Đối với các phương tiện giao thông công cộng, tại thế vận hội Olympic mùa Đông Vancouver hồi hyđrô tháng 2/2010, Canađa đã đưa vào hoạt động 20 xe buýt hydro. Trong khi đó, Liên minh châu Âu (EU) cũng phối hợp chạy thử nghiệm xe buýt hydro trên một số lộ trình thông dụng tại 10 thành phố châu Âu và kết thúc kế hoạch này vào cuối năm 2009. Dự kiến, một thế hệ xe buýt mới sẽ được đưa vào vận hành trong năm nay.
Điều hành dự án mạng lưới giao thông công cộng tại Hà Lan, Frits van Drunen nhận định: ―Tới năm 2017, những chiếc xe buýt hydro sẽ tiêu thụ nhiên liệu tương đương xe buýt chạy bằng dầu điêden‖.
Các công nghệ tiên tiến này thậm chí có thể được phát triển để tích hợp trong máy tính xách tay, thậm chí là điện thoại di động. Tháng 4 năm 2009, hãng Samsung công bố chế tạo thành công pin nhiêu liệu DMFC cho máy tính xách tay sử dụng liên tục 72 giờ.
Tên thiết bị Hãng sản xuất Dải đo Giá thành
(USĐ) Hình ảnh đại diện
HY- ALERTA™ 600 (Mỹ) 0-100 %LEL 2500 HY- ALERTA™ 500 0-100 %LEL 2500 H6000 (Mỹ) 0-100 %LEL 3200 ASH2000 0-100 %LEL 3500 9012XRS 0-100 %LEL 3200 AK100 (Autralia) 0-100 %LEL 2000 D09-2 (Việt Nam) 0-100 %LEL 675
Bảng trên đây thống kê một số thiết bị đo khí hyđrô nhập ngoại cùng dải đo 0- 100 %LEL và sản phẩm của Phòng cảm biến và thiết bị đo khí chế tạo tại Việt Nam. Nhìn chung các thiết bị ngoại nhập có giá thành cao và rất khó khăn cho việc chỉnh chuẩn, bảo hành, sửa chữa hay thay thế.
Ở Việt Nam ngoài các ứng dụng trong công nghiệp hóa, công nghiệp thực phẩm, một số lượng lớn các sân gôn sử dụng xe ô tô chạy bằng nhiên liệu hyđrô, mỗi sân gôn đều có kho chứa nhiên liệu hyđrô, và khu tiếp khí hyđrô. Tất cả các khu vực có sử dụng khí hyđrô đều bắt buộc có hệ thống giám sát, đo và cảnh báo nồng độ khí hyđrô; tuy nhiên sau một thời gian hoạt động, cho đến nay các sân gôn này mới bắt đầu quan tâm đến việc giám sát nồng độ khí hyđrô tại các trạm cung cấp khí nhiên liệu hyđrô. Hiện tại Phòng Cảm biến và thiết bị đo khí nhận được rất nhiều đơn đặt hàng cho thiết bị đo và hệ thống cảnh báo khí hyđrô.
Tổng kết chương 4: Đã chế tạo thành công thiết bị đo và cảnh báo nồng độ khí hyđrô có dải đo từ 0-100 %LEL. Thiết bị đã được kiểm định và ứng dụng tại cơ sở. Có thể thấy rằng nhu cầu và thị trường là rất lớn, do đó cần tiếp tục nghiên cứu phát triển nhiều hơn các chủng loại máy đo (như máy đo cầm tay…) với nhiều dải đo khác nhau, và kiểu dáng thiết bị công nghiệp hơn.
KẾT LUẬN
Đề tài luận văn: ―Nghiên cứu và chế tạo cảm biến khí hyđrô trên cơ sở các nano-tinh thể ZnO pha tạp Pd‖, đã đạt được một số kết quả sau đây:
1. Đã nghiên cứu thành công công nghệ chế tạo vật liệu ZnO pha tạp Pd với nồng độ 0; 0,5; 1.0; 2 và 3% khối lượng. Đã khảo sát và phân tích cấu trúc của vật liệu. Các vật liệu ZnO pha tạp Pd với các nồng độ khác nhau đều có kích thướchạt trong khoảng 13,0-16,5 nm, có độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn (>34 m2
/g). Các vật liệu có tính năng phù hợp cho ứng dụng trong cảm biến khí. Đã được sử dụng 5 loại vật liệu trên để chế tạo cảm